绝缘材料

材料	相对介电常数	电导率/(S/m)
金属导体	1×10¹⁰	1×10⁷
水泥胶合剂	14	1.7×10^-7
瓷件	5.6	1×10^-12
空气	1	1×10^-10

材料	相对介电常数	电导率/(S/m)
金属导体	1×10¹⁰	1×10⁷
水泥胶合剂	14	1.7×10^-7
瓷件	5.6	1×10^-12
空气	1	1×10^-10

间隔片数	1	2	3	4
电导值/(×10^-10 S)	14.238	7.656	5.448	4.355
实际倍率	1.000	0.536	0.381	0.305
串联电路倍率	1.000	0.500	0.333	0.250

间隔片数	1	2	3	4
电导值/(×10^-10 S)	14.238	7.656	5.448	4.355
实际倍率	1.000	0.536	0.381	0.305
串联电路倍率	1.000	0.500	0.333	0.250

参数	δ_max/%	R	R²
正常工况	6.13	0.991	0.975
第3片零值	11.70	0.988	0.971
第7片零值	9.18	0.991	0.974

参数	δ_max/%	R	R²
正常工况	6.13	0.991	0.975
第3片零值	11.70	0.988	0.971
第7片零值	9.18	0.991	0.974

材料	导热系数/(W/(m·K))	恒压热容/(J/(kg·K))	密度/(kg/m³)
金具/导线	80	450	7 680
水泥胶合剂	5	800	3 600
瓷件	2	825	2 300

材料	导热系数/(W/(m·K))	恒压热容/(J/(kg·K))	密度/(kg/m³)
金具/导线	80	450	7 680
水泥胶合剂	5	800	3 600
瓷件	2	825	2 300

参数	δ_max/%	R	R²
正常工况	12.38	0.952	0.852
第3片零值	12.03	0977	0.809
第7片零值	9.95	0.993	0.812

参数	δ_max/%	R	R²
正常工况	12.38	0.952	0.852
第3片零值	12.03	0977	0.809
第7片零值	9.95	0.993	0.812

基于分布电导的绝缘子直流电场和发热机理研究

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李唐兵 ¹^,² , 邹礼斌 ²^,^* , 况燕军 ³ , 胡睿哲 ¹

绝缘材料 | 2026,59(2): 124-134

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绝缘材料 | 2026 , 59 (2) : 124 -134

基于分布电导的绝缘子直流电场和发热机理研究

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李唐兵¹^,², 邹礼斌²^,^*, 况燕军³, 胡睿哲¹

作者信息

¹南昌科晨电力试验研究有限公司，江西　南昌　330096

²华东交通大学电气与自动化工程学院，江西　南昌　330013

³国网江西省电力有限公司电力科学研究院，江西　南昌　330096

通讯作者:

邹礼斌（1999-），男（汉族），江西赣州人，硕士生，主要从事高电压与绝缘技术的研究。

作者简介:

李唐兵（1983-），男（汉族），湖南株洲人，正高级工程师，主要从事输变电设备状态检测技术的研究。

Research on DC electric field and heating mechanism of insulator based on distributed conductance

Tangbing LI¹^,², Libin ZOU²^,^*, Yanjun KUANG³, Ruizhe HU¹

Affiliations

¹Nanchang Kechen Electric Power Test Research Co., Ltd., Nanchang 330096, China

²School of Electrical and Electronic Engineering, East China Jiaotong University, Nanchang 330013, China

³Electric Power Research Institute of State Grid Jiangxi Electric Power Co., Ltd., Nanchang 330096, China

出版时间: 2026-02-20 doi: 10.16790/j.cnki.1009-9239.im.2026.02.014

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摘要

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针对直流输电系统中绝缘子劣化引发的电场畸变与异常温升问题，基于多导体系统理论构建了分布电导矩阵，通过电场仿真研究了U550BP/240T型瓷绝缘子串在直流电压下的分布电导特性和电场分布；通过热-电耦合模型及直流带电实验，揭示了绝缘子串的发热机理。结果表明：正常绝缘子间的分布电导基本相等，约为15×10^-10 S/m，零值绝缘子金具间的电导值骤增至约108×10^-10 S/m，金具-导线、金具-地间的分布电导随空间距离的增大而减小，绝缘子串的电压呈“U”形分布，零值绝缘子分压降至总电压的1.4%～1.6%，其轴向场强峰值衰减至正常值的5.5%～7.1%，导致其邻位绝缘子的场强与分压显著上升；通过120 kV直流带电实验验证，沿绝缘子串的发热曲线与电压的“U”形分布曲线趋势相近，验证了电压对绝缘子发热起主导作用。零值绝缘子铁帽发热均匀，正常绝缘子铁帽中下部温升显著，仿真与试验所得绝缘子串的发热特征曲线相关系数大于0.95，最大误差为12.38%，验证了分布电导对绝缘子电场分布及发热的决定性作用，可为直流系统绝缘子的状态监测提供理论依据。

关键词

绝缘子 / 零值 / 分布电导 / 直流电场 / 发热

Abstract

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Aiming at the problem of electric field distortion and abnormal temperature rise caused by insulator degradation in DC transmission system, a distributed conductance matrix was constructed based on the multi-conductor system theory, and the distributed conductance characteristics and electric field distribution of U550BP/240T porcelain insulator string under DC voltage were studied by electric field simulation. The heating mechanism of insulator string was revealed by thermal-electric coupling model and DC live test. The results show that the distributed conductance between normal insulators is basically equal, about 15×10^-10 S/m, while the conductance between the fittings of zero-value insulators increases sharply to about 108×10^-10 S/m. The distributed conductance between fittings and conductors, as well as between fittings and ground, decreases with the increase of spatial distance. The voltage along the insulator string shows a U-shaped distribution. For the zero-value insulator, the partial voltage drops to 1.4%-1.6% of the total voltage, and the peak value of axial field strength attenuates to 5.5%-7.1% of the normal value, resulting in a significant rise in the field strength and partial voltage of the adjacent insulator. Through the 120 kV DC live test, it is verified that the heating curve along the string is similar to the U-shaped distribution curve of voltage, which verifies that the voltage plays a leading role in the heating of insulator. The iron caps of zero-value insulators exhibit uniform heat generation, while those of normal insulators show a significant temperature rise in the middle and lower parts. The correlation coefficient between the heat generation characteristic curves of the insulator string obtained from simulation and experiment is greater than 0.95%, with a maximum error of 12.38%, which verifies the decisive role of distributed conductance in the electric field distribution and heating of insulator, and can provide theoretical basis for the state monitoring of insulators in DC system.

Key words

insulators / zero-value / distributed conductance / DC electric field / heat generation

引用本文

李唐兵, 邹礼斌, 况燕军, 胡睿哲. 基于分布电导的绝缘子直流电场和发热机理研究. 绝缘材料, 2026 , 59 (2) : 124 -134 . DOI: 10.16790/j.cnki.1009-9239.im.2026.02.014

Tangbing LI, Libin ZOU, Yanjun KUANG, Ruizhe HU. Research on DC electric field and heating mechanism of insulator based on distributed conductance[J]. Insulating Materials, 2026 , 59 (2) : 124 -134 . DOI: 10.16790/j.cnki.1009-9239.im.2026.02.014

正文

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0　引言

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直流输电凭借低成本、低损耗、大容量优势在我国快速发展，已成为新型电力系统建设的关键技术之一^[1-2]。作为输电线路的核心绝缘部件，绝缘子的性能直接关系着电力系统的运行安全^[3-4]。近几年，直流输电线路因绝缘子故障而停运的事故频发，绝缘子的年均劣化率呈上升趋势。研究表明，绝缘子因长期承受高电压及复杂环境应力易发生劣化^[5-6]，导致局部电场畸变和异常温升问题，严重威胁电网稳定性^[7-8]。此外，绝缘子串会与周围空间导体建立电气量的耦合关系，在交流电场下该电气量由分布电容和分布电导共同作用，而在直流电场下分布电导占主导，且分布电导影响着绝缘子的电场分布及发热。由于绝缘子劣化后其分布电导有所不同，同时伴随着电场及发热的异常，通过分析绝缘子电场分布及温度变化来判别劣化位置成为一种可靠手段。

近年来，针对绝缘子在运行时的发热状况已有许多研究。有学者针对复合绝缘子芯棒劣化时的异常发热进行了仿真和人工缺陷实验，并对复合绝缘子的电场及发热特征进行相关研究^[9-11]。对于瓷绝缘子方面，文献[12]通过仿真获得沿串的马鞍形电压分布曲线来解释实验中不同劣化程度和湿度下瓷绝缘子串的发热特征，还针对单片绝缘子铁帽的发热特征进行了深入研究。文献[13]研究发现零值瓷绝缘子位于不同位置时，绝缘子串的温度分布规律不同。针对铁帽温升识别劣化方法存在的漏检现象，文献[14]提出了结合铁帽和盘面温升特征的劣化绝缘子红外识别方法，具有较高的实际工程应用价值。文献[15-17]也对复合绝缘子及瓷绝缘子的发热状况进行了仿真及实验研究。

目前，关于绝缘子的电场分布和发热特征已有广泛的研究，然而通过分布电导研究直流电压下绝缘子的电场分布，进而研究其发热特征的方法仍缺乏足够的技术性探讨。为此，本文通过建立直流绝缘子串的热-电耦合模型，计算绝缘子串的分布电导，揭示其电场分布和发热机理，最后开展绝缘子串的直流带电实验，验证直流电压下绝缘子串的电场分布及发热机理，以期为直流绝缘子的状态监测提供理论依据。

1　基本原理

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1.1　分布电导计算原理

在直流输电线路中，绝缘子串的金具与周围杆塔、导线、大地、均压环在空间上存在电气量耦合关系，即绝缘子金具与周围导体存在分布电导。为计算这一分布电导，将由绝缘子、绝缘子金具与周围杆塔、导线、大地、均压环组成的系统抽象成多导体系统（如图1所示），来说明多导体系统中的分布电导耦合关系。系统中假设绝缘子表面洁净，即不考虑盐、粉尘等在潮湿环境中电解出的自由离子在恒定电场作用下定向移动形成表面泄漏电流的影响。

以图1中导体1和导体2之间的分布电导为例建立分布电导矩阵，其节点电压方程如式（1）所示。

I 1 = G 11 U 1 + G 12 (U 1 - U 2) I 2 = G 22 U 2 + G 12 (U 2 - U 1)

（1）

整理方程组为矩阵形式，得到式（2）。

I 1 I 2 = G 11 + G 12 - G 12 - G 12 G 12 + G 22 ⋅ U 1 U 2

（2）

矩阵式（2）可简写为I=GU，其中列向量I各元素为流入导体1、2的电流，矩阵G为导体1、2的集总电导参数，列向量U为导体1、导体2的对地电压。

令G=G′，其中G'可表示为式（3）。

G' = G' 11 G' 12 G' 21 G' 22 = G 11 + G 12 - G 12 - G 12 G 12 + G 22

（3）

式（3）中：G为导体1、导体2的集总电导矩阵，为多导体系统中的一个局部子矩阵。G中各元素简写为G′各元素，其中G′₁₁=G₁₁+G₁₂，G′₂₁=G′₁₂=-G₁₂，G′₂₂=G₁₂+G₂₂。

若令I₁作为激励（不为零），U₂=0，则G'₁₁=I₁/U₁，在有限元仿真中，U₁的值可在后处理时获取；再令I₁作为激励（不为零），U₁=0，则G'₁₂=I₁/U₂，同样U₂的值为已知，即可得到导体1和导体2之间的电导矩阵。若模型中需要求解n对导体之间的分布电导，则需2n次仿真计算；导体1、导体2可以是多导体系统中的任意两段导体，实际系统中导体数应远大于图1中的导体数。

1.2　直流绝缘子发热原理

在图2(a)所示交流电路中，绝缘子发热形式有3种：电介质损耗发热、传导电流发热和表面泄漏电流发热^[18-19]。交流工况下绝缘子各类型发热产生的热量满足式（4）所示关系。

P j = U n 2 R j = U n 2 ω C 0 t a n δ P i = U n 2 R i P w = U n 2 R w

（4）

式（4）中：P_j、P_i、P_w分别为电介质损耗发热量、传导电流发热量、表面泄漏电流发热量；U_n为第n片绝缘子承受的电压；R_j、R_i、R_w分别为介质损耗电阻、体电阻、表面电阻；C₀为绝缘子等效电容；tanδ为介质损耗因数；ω为交流输电系统的角频率。

交流线路绝缘子的容性特征对电介质损耗发热起着重要作用，但直流线路绝缘子在直流稳态电场下的容性效应为零（C₀→0），则其发热机制可简化为纯阻性模型（图2(b)），发热形式为传导电流发热和表面泄漏电流发热。

1.3　有限元仿真计算原理

有限元仿真软件中电流场计算的广义基本控制方程为式（5）。

∇ ⋅ J = Q j J = σ E + J e E = - ∇ ⋅ V

（5）

式（5）中：σ为电导率，单位为S/m；E为电场强度，单位为V/m；V为电势，单位为V；J为电流密度，单位为A/m²；Q_j为电流源，单位为A/m³，无外部源时其值为0；J_e为外部电流密度，如施加的是激励电流，则单位为A/m²。

在稳态无电流源的情况下，即恒定电场下模型中导体、电介质自身不产生电荷时，Q_j=0，J_e=0，则式（5）可简化为式（6）。

∇ ⋅ (σ ∇ V) = 0

（6）

有限元仿真软件中热-电耦合基本控制方程为式（7）。

ρ C p ∂ T ∂ t + ∇ ⋅ (- k ∇ T) = - ρ C p μ ⋅ ∇ T + Q e

（7）

式（7）中：ρ为材料密度，单位为kg/m³；C_p为比热容，单位为J/(kg·K)；k为导热系数，单位为W/(m·K)；μ为周围流体的速度矩阵，单位为m/s；Q_e为电流场产生的热源，单位为W/m³，其计算公式如式（8）所示。

Q e = J ⋅ E

（8）

2　直流绝缘子串分布电导研究

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2.1　分布电导计算模型

本文以9片U550BP/240T型大吨位悬式瓷绝缘子串为研究对象构建三维有限元仿真模型，考虑相对介电常数和电导率的影响，对模型进行电流场仿真^[20-22]。单片绝缘子模型的结构如图3所示，其中公称直径D为400 mm，公称结构高度H为240 mm，爬电距离L为650 mm。

绝缘子串的几何模型如图4所示，模型置于15 m×15 m×15 m的空气域中，绝缘子钢脚端连接5 m导线施加直流高压，上方绝缘子铁帽经短导体接地。

采用图1所示多节点等效导体系统表征金属部件间的电场耦合关系，对导体网络进行拓扑化处理，节点间通过分布电导G_ij（i, j=1～4）形成泄漏电流通道，G_ii表征节点的对地导纳。值得注意的是，实际导体数量应超出图中所示的导体数量，分布电导存在于金具间、金具-导线间和金具-接地导体间等区域。仿真模型中各材料的电气参数见表1。

对图4模型进行网格剖分，如图5所示。对主要研究对象绝缘子串、导线及接地导体采用自由四面体网格“极细”剖分策略，对于空气域采用自由四面体网格“常规”剖分策略。根据网格数据统计，网格单元数共计约198万个，对网格单元进行质量偏度检测，得到平均单元质量为0.656 1，单元质量直方图符合正态分布，说明网格剖分结果较为精细且合理。

2.2　分布电导仿真结果

从高压侧到接地侧依次将绝缘子编号为1～9，得到与接地侧间隔绝缘子片数对绝缘子串金具间分布电导的影响规律如图6所示。从图6可以看出，间隔1～4片，绝缘子串的分布电导曲线呈现准稳态特征。结合图4分析，由于接地侧绝缘子金具由铁帽与接地导体相连，其有效表面积相较于其他绝缘子金具（由铁帽与钢脚相连）更大，导致其他绝缘子金具与接地侧绝缘子金具之间的分布电导增大，因此图6中各曲线末端呈现轻微上升趋势。

表2为间隔1～4片时绝缘子金具间的电导倍率。从表2可知，间隔2～4片绝缘子金具间实际的电导倍率比串联电路大，这说明直流绝缘子之间并不是简单的串联关系，每个金具都与周围导体存在分布电导，由于分布电导的存在，电流不完全沿着绝缘子串流动，而是随电导支路在空间中泄漏。

间隔1～4片绝缘子金具间电导值变化规律在图6及相关说明中已有论述，现取间隔1片绝缘子金具间的电导值来探究模型中不同导体间分布电导的变化规律，计算正常，第3、7片绝缘子零值工况时绝缘子串分布电导的分布情况，结果如图7所示。其中零值绝缘子的阻值设定为2 MΩ，正常绝缘子的阻值约为10 GΩ。

从图7(a)可以看出，正常工况下，绝缘子串金具-地之间的分布电导随绝缘子序号的增大而增大，绝缘子金具-导线之间的分布电导随绝缘子序号的增大而减小，即绝缘子金具-地、绝缘子金具-导线之间的分布电导均随空间距离增大而减小，与文献[23]的研究结论相符合。

对比图7(a)与图7(b)～(c)可知，间隔1片正常绝缘子金具间的分布电导约为15×10^-10 S/m，而间隔1片零值绝缘子金具间的电导骤增至约108×10^-10 S/m，对应图7(b)～(c)曲线中零值绝缘子位置出现的明显“平台”阶段。

基于上述求解的分布电导数值构建电导电路模型，如图8所示。图8中R_g1～R_g8表示绝缘子金具的对地电导，R_L1～R_L8表示金具-导线间的电导，R₁～R₉为相邻绝缘子片间电导，由于间隔≥2片绝缘子时金具间的分布电导数值较低（如图6所示），在建立电导电路模型中可忽略。模型设定R₁～R₈为等值参数，但实际中会受到生产工艺公差、绝缘材料老化等的影响。

2.3　分布电导对直流绝缘子电压的影响

为研究正常、劣化绝缘子串的电场特性，利用图4仿真模型在导线上施加120 kV的直流稳态电压，第9片绝缘子铁帽接地，通过参数化调整瓷件与水泥层的电导率和相对介电常数模拟零值绝缘子^[24]，得到绝缘子串的电压分布如图9所示。在绝缘子纵向轴线处设置观测线，获得绝缘子串的轴向场强分布曲线，如图10所示。

分析图9～10测试结果可知：

（1）图9中正常，第3、7片零值绝缘子的电压分布特征与图10的绝缘子串场强分布高度对应，如图9中正常工况绝缘子串的电压曲线和图10(a)各绝缘子轴向场强的峰值变化均呈“U”形分布特征。

（2）零值绝缘子分压和轴向场强峰值降低。图9中第3、7片零值绝缘子承受电压占比分别下降了约1.4%和1.6%，导致其余绝缘子承受电压增大，其中第9片绝缘子承受电压分别上升了约18.0%和19.0%；零值绝缘子处的场强远低于正常绝缘子，这与文献[14]的研究结论相符。图10(b)和10(c)中第3、7片零值绝缘子的轴向场强峰值分别骤降至约0.52×10² kV/m和0.67×10² kV/m，为正常值的5.5%～7.1%。

（3）绝缘子所处位置轴向场强峰值越大，分压越大。在正常工况时，第9片绝缘子的分压最大，占比约为17.2%，轴向场强峰值约为9.44×10² kV/m；绝缘子劣化后承受的电压和轴向场强峰值减小，使得其他绝缘子的轴向场强峰值增大，承受电压升高。

利用基于仿真获取的分布电导构建等效电导电路模型来求解120 kV稳态直流电压下绝缘子串的电压分布，将等效电导电路及有限元仿真模型各自计算得到的绝缘子串电压绘制成曲线，结果如图11所示。从图11可以看出，等效电导电路与有限元仿真模型计算得到的电压分布结果具有良好的一致性，采用相对误差δ、相关系数R及决定系数R²评估两条曲线吻合度，计算公式如式（9）所示，相关统计参数如表3所示。

δ = | V 1 - V 2 | V 1 × 100 % R = ∑ (V 1 - V 1 ¯) (V 2 - V 2 ¯) ∑ (V 1 - V 1 ¯) 2 (V 2 - V 2 ¯) 2 R 2 = 1 - ∑ i = 1 n (V 1 - V 2) 2 ∑ i = 1 n (V 2 - V 2 ¯) 2

（9）

式（9）中：

V 1

和

V 2

分别为电导电路与仿真模型的电压；

V 1 ¯

和

V 2 ¯

分别为电导电路与仿真模型的电压平均值。

从表3可以看出，3种工况下R和R²的值均大于0.95，最大相对误差出现在零值工况下第3片零值绝缘子位置，其他工况下的相对误差都在10%以内。由于有限元仿真中将绝缘子串中各材料的相对介电常数也计算在内，即考虑了各元件分布电容的影响，使得有限元仿真模型和电导电路计算的电压曲线不可避免地存在误差。强统计相关性说明了分布电导模型的合理性，分布电导决定了绝缘子串的电位分布，这与文献[2]的结论相符合，验证了模型的有效性。

3　直流绝缘子发热特征

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3.1　直流绝缘子带电实验

试验在国网江西省电力有限公司电力科学研究院的高压实验室开展，试验设备连接如图12所示。采用U550BP/240T型瓷绝缘子构建9片绝缘子串样品，表面清洗干净并作干燥处理。正常绝缘子的电阻为（20±5）GΩ，零值绝缘子的电阻约为 2 MΩ。复合绝缘子起悬挂及绝缘作用。FLIR T1040型红外热像仪的热灵敏度≤0.03℃。瓷绝缘子串底端距离地面不小于5 m并串联保护电阻以确保安全，环境温度为（33.1±0.5）℃，湿度约为71%。直流高压发生器对最下面的绝缘子施加120 kV直流电压，并在复合绝缘子串与瓷绝缘子串中间部位连接金具接地，施压2 h后达到热平衡。试验内容主要是获取正常绝缘子串和第3、7片绝缘子零值工况下绝缘子串达到热平衡后的红外热成像。

绝缘子串的热分布特征如图13所示。从图13可以看出，加压2 h后绝缘子串的发热集中于铁帽区（铸铁具有高导电导热性），瓷件因低导热性及高热容而没有出现明显温升。零值工况试验中，第3、7片零值绝缘子出现铁帽低温暗色特征，这是由于零值绝缘子的阻值极低，发热功率显著降低，其出现的微弱温升是因相邻正常绝缘子的热传导作用。值得关注的是，第9片绝缘子因承担最高电压梯度，其铁帽全域呈现显著温升特征。正常绝缘子串和第3、7片零值工况绝缘子串的绝缘子最高温度分别达35.9、36.1、36.3℃，较相邻绝缘子高约0.6、0.7、0.8℃，这是由于从导线侧到接地侧，绝缘子内流通的传导电流因分布电导分流作用而越来越小，根据焦耳热（Q）计算公式Q=I²R（I为电流，R为电阻），在接地侧绝缘子的焦耳热效应最高。

3.2　有限元仿真绝缘子发热分析

为揭示3.1节所述绝缘子串的发热机理，建立绝缘子串的热-电单向耦合仿真模型。绝缘子发热是由于绝缘子的阻性分量在电流通过时产生了热量，考虑到仿真的计算效率，以及绝缘子串本身为回转对称几何体，热-电单向耦合仿真模型采用二维轴对称仿真模型。环境初始温度设定为33℃以适配试验条件^[25]。各材料的电、热场参数按表1、表4数据赋值。

将三维电场仿真后获得的各绝缘子电位分布数值作为有限元模型边界条件^[26-27]，具体是将电场仿真得到的各个绝缘子金具的电位作为边界条件施加在二维轴对称热-电耦合仿真模型中各绝缘子金具上，模型中绝缘子发热也是由施加的电场边界条件产生。

绝缘子串的温度仿真结果如图14所示。绝缘子金具与周围导体存在分布电导耦合关系，绝缘子的电流沿着绝缘子串从金具处泄漏，该泄漏电流量与金具耦合周围导体的分布电导大小有关，因此每一片绝缘子的传导电流并不相同，从而导致图14中各绝缘子发热量不同。

（1）单片绝缘子发热分析

仿真得到第3片绝缘子在正常、零值工况下的温度分布云图如图15所示。在正常工况（图15(a)）下，绝缘子铁帽中下方有明显的亮斑，最高温度为35.1℃；绝缘子为零值（图15(b)）时，其铁帽发热均匀，最高温度为34.7℃，仅依靠相邻绝缘子的热传导作用，温升相较更低，盘面几乎无温升。图15结果与图13中正常绝缘子铁帽下部有温升亮斑，而零值绝缘子铁帽几乎无温升亮斑现象相符，且与文献[13]的研究结论相符。

（2）沿串发热分析

为消除环境温度造成的影响，引入式（10）所示温度变化率S进行分析^[5]，其中T₁为绝缘子铁帽处采集温度，T₂为环境温度。

S = T 1 - T 2 T 2 × 100 %

（10）

各工况下仿真与试验绝缘子串的发热特征曲线如图16所示，相关统计参数如表5所示。

从表5可知，各工况下仿真与试验绝缘子串发热特征曲线的皮尔逊相关系数R均大于0.95，决定系数R²均大于0.8，最大相对误差δ_max为12.38%，均在可接受范围内，其中第7片零值工况下绝缘子串发热特征曲线的相关系数达到0.993。分析误差存在的原因有：

（1）试验过程中直流电压波动形成的分布电容使得绝缘子呈现类似交流工况时的容性特征，从而影响绝缘子发热。

（2）仿真设定绝缘子金具表面洁净无污秽，但实际绝缘子表面存在着难以清洗的污秽，污秽电解产生的自由离子在恒定电场作用下定向移动形成表面泄漏电流，从而对绝缘子发热造成影响。

根据图9绝缘子串电压分布曲线以及图10绝缘子串电场强度分布，图16中绝缘子串的发热特征也随着绝缘子承受电压的变化而变化。各绝缘子发热量随其承受压的增大而增大，零值绝缘子在承受电压极低情况下，其自身几乎不发热，这也是红外监测图像中零值绝缘子铁帽呈暗色的原因。

4　结论

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本文结合有限元仿真、电导电路模型和现场试验研究了在正常、劣化工况下直流绝缘子串的分布电导、电场特性以及发热状况，主要得到以下结论：

（1）直流绝缘子串金具与周围空间导体存在复杂的电导耦合关系，正常绝缘子之间的分布电导基本相同，绝缘子金具-地、金具-导线间的分布电导沿串方向随空间距离增大而减小；利用电导电路模型和仿真模型分别计算绝缘子串的电压分布，所得曲线拟合统计参数δ_max小于10%，R、R²大于0.95，表明分布电导对绝缘子串的电位分布具有决定性作用。

（2）直流绝缘子串的电压呈“U”形分布，绝缘子所处位置轴向场强峰值越大，分压越大；绝缘子劣化后承受电压和轴向场强峰值骤降，使得其他绝缘子的轴向场强峰值增大，承受电压升高。

（3）绝缘子承受电压对其发热起主导作用，各绝缘子发热量随其承受电压的增大而增大；耐压状态下零值绝缘子自身几乎不发热；正常绝缘子的铁帽中下部发热明显，而零值绝缘子的铁帽发热较为均匀，仿真与试验所得绝缘子串发热特征曲线的δ_max为12.38%，R大于0.95，R²大于0.8，误差来源于试验过程中直流电压波动形成的电容电流以及绝缘子表面污秽电解形成的离子电流。

参考文献

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文献

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2026年第59卷第2期

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文章信息

doi: 10.16790/j.cnki.1009-9239.im.2026.02.014

接收时间：2025-06-05
首发时间：2026-09-10
出版时间：2026-02-20

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出版历史

收稿日期：2025-06-05
修回日期：2025-07-15

基金

作者信息

¹南昌科晨电力试验研究有限公司，江西　南昌　330096

²华东交通大学电气与自动化工程学院，江西　南昌　330013

³国网江西省电力有限公司电力科学研究院，江西　南昌　330096

通讯作者:

邹礼斌（1999-），男（汉族），江西赣州人，硕士生，主要从事高电压与绝缘技术的研究。

参考文献

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https://castjournals.cast.org.cn/joweb/jycl/CN/10.16790/j.cnki.1009-9239.im.2026.02.014

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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TxT

材料	相对介电常数	电导率/(S/m)
金属导体	1×10¹⁰	1×10⁷
水泥胶合剂	14	1.7×10^-7
瓷件	5.6	1×10^-12
空气	1	1×10^-10

材料

相对介电常数

电导率/(S/m)

金属导体

1×10¹⁰

1×10⁷

水泥胶合剂

1.7×10^-7

瓷件

5.6

1×10^-12

空气

1×10^-10

间隔片数	1	2	3	4
电导值/(×10^-10 S)	14.238	7.656	5.448	4.355
实际倍率	1.000	0.536	0.381	0.305
串联电路倍率	1.000	0.500	0.333	0.250

间隔片数

电导值/(×10^-10 S)

14.238

7.656

5.448

4.355

实际倍率

1.000

0.536

0.381

0.305

串联电路倍率

1.000

0.500

0.333

0.250

参数	δ_max/%	R	R²
正常工况	6.13	0.991	0.975
第3片零值	11.70	0.988	0.971
第7片零值	9.18	0.991	0.974

参数

δ_max/%

R²

正常工况

6.13

0.991

0.975

第3片零值

11.70

0.988

0.971

第7片零值

9.18

0.991

0.974

材料	导热系数/(W/(m·K))	恒压热容/(J/(kg·K))	密度/(kg/m³)
金具/导线	80	450	7 680
水泥胶合剂	5	800	3 600
瓷件	2	825	2 300

材料

导热系数/(W/(m·K))

恒压热容/(J/(kg·K))

密度/(kg/m³)

金具/导线

450

7 680

水泥胶合剂

800

3 600

瓷件

825

2 300

参数	δ_max/%	R	R²
正常工况	12.38	0.952	0.852
第3片零值	12.03	0977	0.809
第7片零值	9.95	0.993	0.812

参数

δ_max/%

R²

正常工况

12.38

0.952

0.852

第3片零值

12.03

0977

0.809

第7片零值

9.95

0.993

0.812